100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Атмосфера Титана воссоздана на Земле

Атмосфера Титана воссоздана в лаборатории на Земле

Титан, самый большой спутник Сатурна — еще один кандидат на наличие жизни, из-за того, что между атмосферой и поверхностью происходят все виды реакций органической химии. В течение некоторого времени ученые подозревали, что изучение атмосферы Титана может дать важные ключи к разгадке ранних стадий эволюции жизни на Земле. Благодаря новому исследованию, проведенному технологическим гигантом IBM, команде исследователей удалось воссоздать атмосферные условия на Титане в лаборатории.

Читайте «Хайтек» в

Ученые считают, что лучшее место для поиска доказательств внеземной жизни — это Марс. Однако это далеко не единственное место. Помимо множества внесолнечных планет, которые были определены как «потенциально обитаемые», прямо здесь, в нашей Солнечной системе, есть множество других кандидатов. К ним относятся многие ледяные спутники, которые, как считается, имеют внутренние океаны, в которых может быть жизнь.

Многое из того, что мы знаем о Титане сегодня, связано с космическим кораблем «Кассини», который вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2017 год и завершил свою миссию, погрузившись в атмосферу планеты. За это время «Кассини» провел множество прямых измерений атмосферы Титана, обнаружив удивительно похожую на Землю среду. По сути, это единственное другое тело в Солнечной системе, в котором есть плотная азотная атмосфера и происходят органические процессы.

Что особенно интересно, так это то, что ученые считают, что примерно 2,8 миллиарда лет назад атмосфера Земли могла быть похожей. Это совпадает с мезоархейской эрой, периодом, когда фотосинтезирующие цианобактерии создали первые системы рифов и медленно преобразовали атмосферный углекислый газ Земли в газообразный кислород (что в конечном итоге привело к нынешнему балансу азота и кислорода).

Хотя считается, что поверхность Титана содержит подсказки, которые могут улучшить наше понимание того, как жизнь возникла в нашей Солнечной системе, получить четкое представление об этой поверхности было проблемой. Причина этого связана с атмосферой Титана, которая пронизана плотной фотохимической дымкой, рассеивающей свет.

«Мгла Титана состоит из наночастиц, состоящих из самых разных крупных и сложных органических молекул, содержащих углерод, водород и азот. Эти молекулы образуются в каскаде химических реакций, когда (ультрафиолетовое и космическое) излучение попадает в смесь метана, азота и других газов. в атмосфере, подобной атмосфере Титана».

Лео Гросс и Натали Карраско, IBM

В результате ученые до сих пор многого не знают о процессах, управляющих атмосферой Титана, включая точную химическую структуру больших молекул, составляющих эту дымку. В течение десятилетий астрохимики проводили лабораторные эксперименты с аналогичными органическими молекулами, известными как толины — термин, производный от греческого слова «мутный».

Читайте так же:
Как работают дата центры

Толины относятся к широкому спектру органических углеродсодержащих соединений, которые образуются при воздействии солнечного ультрафиолета или космических лучей. Эти молекулы распространены во внешней части Солнечной системы и обычно встречаются в ледяных телах, где поверхностный слой содержит метановый лед, подвергающийся воздействию радиации. На их присутствие указывает румяная поверхность или пятна цвета сепии.

Ради своего исследования группа под руководством Шульца и Майяра провела эксперимент, в котором они наблюдали толины на различных стадиях образования в лабораторных условиях.

«Мы залили сосуд из нержавеющей стали смесью метана и азота, а затем инициировали химические реакции посредством электрического разряда, имитируя тем самым условия в атмосфере Титана. Затем мы проанализировали более 100 полученных молекул, составляющих толины Титана, в нашей лаборатории в Цюрихе, получив изображения примерно десятка из них с атомным разрешением, полученные с помощью нашего самодельного низкотемпературного атомно-силового микроскопа».

Лео Гросс и Натали Карраско, IBM

Разбирая молекулы разных размеров, команда получила представление о различных стадиях роста этих молекул, а также о том, как выглядит их химический состав. По сути, они наблюдали ключевой компонент атмосферы Титана, когда она формировалась и накапливалась, создавая знаменитый эффект тумана.

Ученые впервые наблюдали молекулярную архитектуру синтетических соединений, аналогичную тем, которые, как считается, вызывают оранжевую дымку атмосферы Титана. Более того, их результаты могут пролить свет на загадочный гидрологический цикл, основанный на метане. На Земле этот цикл состоит из перехода воды из газообразного состояния (водяной пар) в жидкое состояние (дождь и поверхностная вода). На Титане тот же цикл происходит с метаном, который переходит из атмосферного метана и выпадает в виде метанового дождя, образуя знаменитые углеводородные озера.

В этом случае результаты исследовательской группы могут выявить роль, которую химическая дымка играет в метановом цикле Титана, включая то, могут ли эти наночастицы плавать на его метановых озерах. Кроме того, эти открытия могут показать, помогли ли подобные атмосферные аэрозоли появиться жизни на Земле миллиарды лет назад.

Молекулярные структуры известны как хорошие поглотители ультрафиолетового света. Это, в свою очередь, означает, что дымка могла действовать как щит, защищающий молекулы ДНК на ранней поверхности Земли от разрушающего излучения.

Читайте так же:
Как рисуется профиль самолёта

К 2030-м годам НАСА планирует отправить на Титан роботизированный винтокрыл под названием Dragonfly, чтобы исследовать его поверхность и атмосферу и искать возможные признаки жизни. Как всегда, теоретическая работа и лабораторные эксперименты, проведенные тем временем, позволят ученым сузить фокус и увеличить шансы на то, что миссия как только прибудет, найдет то, что ищет.

В лаборатории на Земле воссоздали атмосферу Титана

alt=» Фото: NASA» />  Фото: NASA

Международная исследовательская группа, возглавляемая доктором Фабианом Шульцем и доктором Жюльеном Майяром, впервые в истории сумела воссоздать в лабораторных условиях атмосферу Титана, самого большого спутника Сатурна.

Работа описана в статье "Визуализация органической дымки Титана в атомном масштабе", опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters. Коротко об этом сообщает Phys.org.

Исследование дало интригующие результаты, поскольку Титан по некоторым своим характеристикам похож на Землю. Существует мнение, что этот спутник Сатурна является объектом, пригодным для колонизации.

Основные знания о Титане были получены при помощи космического аппарата Cassini, который вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2017 годы. За это время он провел и множество прямых измерений атмосферы Титана. Благодаря полученным данным удалось установить, что между атмосферой и поверхностью этого объекта происходят реакции, характерные для органической химии.

Фото: iStock

Кроме того, было установлено, что Титан — это единственное, помимо Земли, космическое тело в Солнечной системе, на котором присутствует плотная азотная атмосфера и происходят органические процессы. Ученые считают, что примерно 2,8 миллиарда лет назад аналогичной атмосферой обладала и Земля.

На основании имеющихся данных исследователи решили воссоздать атмосферу Титана в лабораторных условиях. Однако сделать это оказалось совсем непросто. Она буквально пропитана плотной фотохимической дымкой, рассеивающей свет.

"Мгла Титана состоит из наночастиц, состоящих из самых разных крупных и сложных органических молекул, содержащих углерод, водород и азот, — пишут исследователи. — Эти молекулы образуются в каскаде химических реакций, когда (ультрафиолетовое и космическое) излучение попадает в смесь метана, азота и других газов".

Аналогов такой системы до сих пор не находили, поэтому наука многого не знает о процессах, управляющих атмосферой Титана. Нет в распоряжении ученых и точных данных о химической структуре крупных молекул, из которых состоит упомянутая дымка. В течение десятилетий астрохимики проводили лабораторные эксперименты с аналогичными органическими молекулами, известными как толины.

Читайте так же:
Самые молодые профессии в мире

Последние относятся к широкому спектру органических углеродсодержащих соединений, которые образуются при воздействии солнечного ультрафиолета или космических лучей. Эти молекулы распространены во внешней части Солнечной системы и обычно встречаются в ледяных телах.

Вот и в новом исследовании группа ученых провела эксперимент, наблюдая толины на различных стадиях образования. Исследователи пишут, что для этого они сначала заполнили сосуд из нержавеющей стали смесью метана и азота.

Затем искусственно инициировали химические реакции при помощи электрических разрядов. Тем самым ученые имитировали атмосферные условия Титана. На завершающем этапе были проанализированы более 100 молекул, полученных в результате искусственно вызванных химических реакций.

Фото: twitter.com/ NASAPersevere

Ученым удалось получить около десятка изображений толинов с атомным разрешением. Изучение этих снимков дало представление о различных стадиях роста молекул, а также об их химическом составе. По сути, исследователям удалось воссоздать не только ключевой компонент атмосферы Титана, но и сам процесс формирования дымки.

"Впервые мы наблюдаем молекулярную архитектуру синтетических соединений, аналогичную тем, которые, как считается, вызывают оранжевую дымку атмосферы Титана, — пишут исследователи. — Это дает нам новый инструмент для анализа образцов астробиологических материалов, включая метеориты и образцы, полученные с различных планет".

Кроме того, полученные результаты могут пролить свет на загадочный гидрологический цикл Титана. На Земле подобный цикл заключается в переходе воды из газообразного состояния в жидкое. На Титане тот же цикл основан на метане, который выпадает в виде метанового дождя, образуя знаменитые углеводородные озера.

Имитация атмосферы Титана объяснила разницу в данных «Кассини» и «Гюйгенса»

Исследователи из Франции и США смоделировали в лаборатории процессы, происходящие в атмосфере Титана, и показали, что отличия между химическими составами аэрозолей, рассчитанными на основании данных аппаратов «Кассини» и «Гюйгенс», можно объяснить разрушением молекул под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Статья опубликована в Nature Astronomy.

Единственный в Солнечный системе спутник, обладающий плотной атмосферой — это Титан, самый крупный из спутников Сатурна. Обычно спутники, несмотря на свой внушительный размер, имеют сильно разреженную атмосферу и напоминают скорее Луну, чем Землю, но на поверхности Титана атмосферное давление может в полтора раза превышать давление на поверхности Земли. В основном атмосфера Титана состоит из молекулярного азота (98,4 процента) и метана (1,6 процента), причем концентрация последнего растет с увеличением высоты.

Тем не менее, Титан практически не обладает магнитным полем, а значит, его атмосфера плохо защищена от воздействия солнечного ветра и космических лучей. Кроме того, она также подвержена действию ультрафиолетового излучения (земную атмосферу от ультрафиолета защищает озоновый слой, которого на Титане нет). Из-за этого молекулы атмосферы испытывают фотохимические превращения, в результате которых образуется множество органических соединений (например, циановодород или бензол), включая частицы твердых аэрозолей. Предполагается, что в качестве очагов концентрации таких аэрозолей выступают крупные частицы, ионизированные ультрафиолетовым излучением. Именно из-за аэрозолей атмосфера Титана приобретает коричневатый оттенок.

Читайте так же:
Большой Барьерный риф — объясняем все нюансы

Наблюдения станции «Кассини», запущенной NASA в 1997 году и вышедшей на орбиту Сатурна в июне 2004 года, позволили в подробностях изучить атмосферу Титана. В частности, спектроскопические наблюдения за излучением атмосферы показали, что аэрозоли действительно образуются на высоте около 1000 километров, а измерения спускаемого аппарата «Гюйгенс», который собирал образцы на высоте менее 130 километров, подтвердили их наличие в нижних слоях. Тем не менее, химические составы атмосферы, рассчитанные по данным обоих аппаратов, отличались. Следовательно, различные аэрозоли по-разному ведут себя с уменьшением высоты.

Схема экспериментальной установки

N. Carrasco et al. / Nature Astronomy

Чтобы объяснить возникающую разницу в химических составах, группа ученых под руководством Натали Карраско (Nathalie Carrasco) из Университета Пьера и Марии Кюри экспериментально смоделировала процессы, происходящие в атмосфере Титана. Для этого исследователи поместили в вакуумную камеру (воздух откачали до давления менее 10 −8 атмосфер) твердую пластинку с напыленными органическими пленками толщиной около 440 нанометров, химический состав которых воспроизводил химический состав аэрозолей в верхних слоях атмосферы спутника, а затем облучали ее ультрафиолетом в течение длительного времени. Интенсивность излучения составляла около 10 16 фотонов на сантиметр квадратный в секунду, а длина волны отвечала линии Лайман-альфа (длина волны λ ≈ 121,6 нанометров), которая лучше всего проникает вглубь атмосферы.

Спектр поглощения пластинки, измеренный до облучения ультрафиолетом (черная линия), и его разложение на спектры поглощения различных химических соединений (зеленые линии)

N. Carrasco et al. / Nature Astronomy

Спектр поглощения пластинки, измеренный после облучения ультрафиолетом в течение 24 часов (черная линия), и его разложение на спектры поглощения различных химических соединений (зеленые линии)

Атмосферу ранней Земли воссоздали в лаборатории

Атмосферу ранней Земли воссоздали в лаборатории

Команда исследователей из компании IBM в лабораторных условиях воссоздала атмосферу Титана – крупнейшего спутника Сатурна. Они полагают, что такая же атмосфера была и на Земле несколько миллиардов лет назад, сообщает Astrophysical Journal Letters.

Большинство знаний о Титане были получены благодаря миссии Cassini. Космический аппарат вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2017 годы. За это время зонд провел несколько измерений атмосферы Титана. Ученые пришли к выводу, что эта среда во многом похожа на земную. Титан единственный в Солнечной системе (помимо нашей планеты) обладает плотной газовой оболочкой, в которой протекают органические процессы.

«Туман Титана состоит из наночастиц, состоящих из множества крупных и сложных органических молекул. Эти молекулы содержат углерод, водород и азот. Они образуются в каскаде химических реакций, когда ультрафиолетовое и космическое излучение попадает в смесь метана, азота и других газов», – пояснили эксперты.

Ученые считают, что примерно 2,8 миллиарда лет назад атмосфера Земли могла быть такой же, как сейчас на Титане. Этот период относится к мезоархейской эре, когда фотосинтетические цианобактерии создали первые рифовые системы и медленно преобразовали атмосферный углекислый газ Земли в газообразный кислород.

Читайте так же:
Ошибки в соцсетях, указывающих на вашу низкую самооценку: излагаем по порядку

Исследование спутника Сатурна могло бы помочь ученым лучше понять процессы зарождения жизни на ранней Земле. Авторы новой научной работы воссоздали дымку на Титане и смогли пронаблюдать за развитием толинов – органических углеродсодержащих соединений, которые образуются при воздействии солнечных лучей. Эти молекулы распространены во внешней Солнечной системе и обычно встречаются на ледяных телах. На их присутствие указывает красноватый цвет поверхности.

«Мы залили сосуд из нержавеющей стали смесью метана и азота, а затем запустили химические реакции с помощью электрического разряда, тем самым имитируя условия в атмосфере Титана», – объяснили ученые.

Образовавшиеся в сосуде молекулы затем изучили с помощью низкотемпературного атомно-силового микроскопа. Они представляют собой ключевой компонент атмосферы Титана. Ученые смогли проследить за их развитием в различных стадиях и установить их химический состав.

Полученные данные важны не только для понимания различных процессов на Титане, в частности, его гидрологического цикла. Возможно, они помогут ученым «заглянуть» далеко в прошлое нашей планеты. Полученные ими молекулярные структуры оказались способны эффективно поглощать ультрафиолет. Можно предположить, что «туман» защищал ранние молекулы ДНК от космического излучения и тем самым помог дальнейшему развитию жизни.

Ранее сообщалось, что ученые измерили глубину моря на Титане. Этот водоем состоит не из воды, как на Земле, а из метана.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию